University of Groningen Charge exchange processes that make

University of Groningen
Charge exchange processes that make comets radiate
Juhász, Zoltán
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to
cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date:
2004
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Juhász, Z. (2004). Charge exchange processes that make comets radiate Groningen: s.n.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the
author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately
and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the
number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Download date: 18-07-2017
B Nederlandse samenvatting
In 1996 nam de satelliet ROSAT sterke röntgenstraling
waar van komeet Hyakutake, iets wat onverwacht was daar
kometen koude objecten zijn. Sindsdien zijn er nog veel meer
kometen ontdekt in het röntgengebied en het werd duidelijk dat
hoogenergetische emissie een algemene eigenschap is van
kometen. Tegenwoordig is het meest geaccepteerde scenario dat
deze emissie resulteert uit ladingsoverdracht tussen hooggeladen,
zware zonnewindionen en neutrale deeltjes in het uit de
komeetkern stromende gas. Bij snelheden typisch voor de
zonnewind domineert elektronoverdracht de interaktie tussen
meervoudiggeladen ionen en neutrale gassen. Deze
ladingsoverdrachtsprocessen zijn een sterke bron van
hoogenergetische fotonen omdat voornamelijk aangeslagen
toestanden bevolkt worden, welke vervolgens vervallen onder
uitzending van een foton.
Deze ladingsoverdrachtreacties kunnen als volgt
beschreven worden:
A q B o ( AB ) q o A
(q s )
( nl ) B
s
o A
(q s )
(n'l') B
'E
s
'E hQ ,
waar Aq+ staat voor een ionenprojectiel, bijvoorbeeld een
zonnewindion, waar B staat voor het molekulaire- of atomaire
doelwit, bijvoorbeeld een molecuul in de atmosfeer van een
komeet, waar 'E staat voor de verandering in kinetische energie
ten gevolge van de botsing, en waar hQ het uitgezonden foton
voorstelt. Het projectiel vangt een zeker aantal elektronen (s) weg
van het doelwit. De weggevangen elektronen komen meestal
terecht in een aangeslagen toestand, welke vervolgens vervalt
middels uitzending van een foton.
Dit impliceert de aanwezigheid van emissielijnen in
kometaire spectra. De EUVE satelliet heeft heliumlijnen in de
spectra van verscheidene kometen ontdekt. De waargenomen He
(1s2po1s2) en He+ (2po1s) lijnen bij respectievelijk 58.4 en
30.4 nm, worden toegeschreven aan elektronenoverdracht tussen
129
He2+ ionen, afkomstig uit de zonnewind en neutrale kometaire
stoffen.
In ons werk worden de bovenstaande processen
bestudeerd
in
het
laboratorium.
Met
behulp
van
fotonenemissiespectroscopie zijn we in staat toestandsspecifieke
informatie over ladingsoverdrachtsprocessen te verkrijgen. Deze
informatie is niet alleen belangrijk voor astrofysische
toepassingen maar ook voor onderzoek naar thermonucleaire fusie
en
voor
het
toetsen
van
theoretische
modellen.
Fotonenemissiespectroscopie kan gebruikt worden als
diagnostisch hulpmiddel voor het volgen van temperaturen en
dichtheden van thermonucleaire fusieplasma’s, waarvoor
nauwkeurige, toestandsspecifieke werkzame doorsnedes voor
ladingsoverdracht noodzakelijk zijn. Theoretische modellen
verschillen vaak
onderling, met name voor lagere
botsingsenergieën (een aantal eV). Dit is juist het gebied dat
relevant is voor fusieonderzoek en voor vele toepassingen in de
astrofysica.
Onze experimentele opstelling is beschreven in hoofdstuk
2. We hebben een vacuüm-ultraviolet (VUV) spectrometer
gebruikt, die ons in staat stelt de verschillende spectraallijnen, die
resulteren uit ladingsoverdracht te onderscheiden. Hiermee
kunnen toestandsspecifieke werkzame doorsnedes voor
ladingsoverdracht bepaald worden. De ionen voor ons experiment
worden geleverd door een Elektron Cyclotron Resonantie (ECR)
ionenbron. Om data te verkrijgen voor energieën die relevant zijn
voor de astrofysica, moeten de ionen vertraagd worden van hun
oorspronkelijk energie, een aantal keV, naar energieën van
slechts enkele eV’s. Om de toenemende radiële divergentie van de
ionenbundel tengevolge van het afremmen van de ionen te sturen,
hebben we een Radio Frequency Octopole ionengeleider gebruikt.
In hoofdstuk 3 wordt kort de theorie van RF-multipolen
beschreven en presenteren we onze berekeningen met betrekking
tot dichtheidsverdeling en beweging van ionen in onze octopool.
Deze berekeningen geven ons meer inzicht in het sturen van ons
experiment. Het blijkt dat bij laag energetische bundels krachten
tengevolge van ruimtelading een zeer grote invoed hebben op de
bundeldivergentie. De berekeningen tonen aan dat het toch
mogelijk is te meten aan langzame ionen, mits de radiofrequente
130
spanning die aangeboden wordt aan de octopool voldoet aan een
aantal criteria.
In hoofdstuk 4 presenteren we onze experimentele data
voor botsingen tussen He2+ en de moleculen H2, CO en CO2. In de
waargenomen spectra blijken de emissielijnen behorend bij de
He+ (2po1s) en de He (1s2po1s2) transities het meest intens te
zijn. Deze lijnen ontstaan tengevolge van respectievelijk enkel- en
tweevoudige elektroneninvangst Bij lagere energieën neemt
tweevoudige elektroneninvangst de dominante rol over van
ladingsoverdracht van één elektron; dit is in overeenstemming
met theoretische modellen en eerder experimenteel werk.
Verschillen in de relatie tussen snelheid en werkzame doorsnedes
voor enkelvoudige elektronenoverdracht van de verschillende
doelwitmoleculen kunnen kwalitatief begrepen worden met
behulp van het ‘Over-the-Barrier’ model.
In hoofdstuk 5 worden resultaten voor botsingen tussen
+
He en de moleculen H2, CO en CO2 gepresenteerd. He+ ionen
ontstaan in kometaire coma’s wanneer He2+ een elektron invangt.
Uit de werkzame doorsnedes die wij gevonden hebben, blijkt dat
He+ ionen hoogstwaarschijnlijk een significante bijdrage leveren
aan de VUV-emissie van kometen.
Een simpel model dat de interactie tussen komeet en
zonnewind beschrijft wordt gepresenteerd in hoofdstuk 6. Eerst
worden de populaties van He+ en He2+ ionen, die een kometaire
atmosfeer binnendringen, berekend. De verhouding tussen de
abundanties van He+ en He2+ neemt toe door het proces van
ladingsoverdracht. De berekeningen zijn vergeleken met direct
waargenomen ionendichtheden in de atmosfeer van komeet
Halley. Hoewel het gedrag in het algemeen goed vergelijkbaar is,
treden er in bepaalde gebieden discrepanties op. Door de
gevonden ionendichtheid te combineren met de door ons gemeten
werkzame doorsnedes is het lichtgevend vermogen van de
kometen Hale-Bopp en Hyakutake berekend en deze vermogens
zijn vervolgens vergeleken met waarnemingen. Uit de simulaties
volgt dat de verhouding tussen de He+ (2po1s) en He (1s2po1s2)
emissielijnen primair afhankelijk is van de snelheid van de
zonnewind. Door de waargenomen verhouding tussen deze
emissielijnen te vergelijken met de berekende verhouding kunnen
zonnewindsnelheden bepaald worden. De snelheden die hier voor
de kometen Hale-Bopp en Hyakutake gevonden zijn, zijn typisch
131
voor de langzame zonnewind. Verschillen tussen waarneming en
berekende vermogens kunnen waarschijnlijk toegeschreven
worden aan fluktuaties in de dichtheid van de zonnewind.
Concluderend kan gesteld worden dat onze metingen
uitstekende data leveren voor kometaire modellen. We hebben de
afhankelijkheid van werkzame doorsnedes voor emissielijnen
onderzocht voor een groot aantal energieën (50 eV-10 keV). Een
voordeel van onze experimentele methode is dat de verkregen
(relatieve) relaties tussen energie en intensiteit niet afhangen van
de ijkprocedures. De botsingssystemen die we onderzocht hebben
zijn bij uitstek van belang voor interakties tussen kometen en de
zonnewind. De resultaten zijn direkt toepasbaar in het modelleren
van VUV-emissie door kometen, zoals we hebben
gedemonstreerd met modelberekeningen. We hebben gevonden
dat verhoudingen tussen emissielijnen gebruikt kunnen worden
als een natuurlijk snelheidssonde in de zonnewind.
In de toekomst zijn experimenten met andere
doelwitmoleculen, zoals water, hydroxyl en atomair zuurstof aan
te bevelen, om ons kometaire model verder te verfijnen. Water is
het meest voorkomende element in het ijs van een komeet, maar
onder invloed van zonlicht worden de watermoleculen snel
afgebroken, eerst naar hydroxyl en vervolgens naar atomair zuuren waterstof. Deze laatste elementen domineren hierdoor de
buitenste regionen van de kometaire atmosfeer, en data voor
atomair zuurstof zijn dan ook zeer nodig. Theoretische
berekeningen kunnen makkelijker verricht worden voor atomair
zuurstof dan voor moleculaire doelwitten. Standaard éénelektronbenaderingen voldoen hiervoor misschien niet, omdat
zuurstof vier equivalente elektronen in de buitenste schil heeft.
Het is niet onwaarschijnlijk dat werkzame doorsnedes voor éénelektronoverdracht in de eerste plaats bepaald worden door de
ionisatiepotentiaal van het doelwit en dat de elektronenstruktuur
slechts een bescheiden rol speelt. Dit gedrag is waargenomen in
het geval van een groot aantal molekulen en atomair waterstof.
Om echter een generalisatie naar andere atomaire doelwitten te
kunnen maken, is meer experimenteel bewijs vereist.
Ten slotte kan de fotonenemissie van zwaardere ionen
tegen het licht gehouden worden, zoals bijvoorbeeld voor O7+. Dit
is een uitdaging voor ons model, omdat door elektroneninvangst
de lading van dit soort ionen in de kometaire atmosfeer
132
stapsgewijs afneemt, wat leidt tot gecompliceerde emissiespectra.
Kometaire röntgenspectra zijn dan ook een rijke bron van
informatie over zowel de intensiteit als de samenstelling van de
zonnewind.
133
134